联系我们

福建中天重工机械设备有限公司

电话:0731-89783591

Email:2324467190@qq.com

Q   Q:2324467190

营运中心地址:湖南省长沙市天心区芙蓉南路和庄A1-3110

您当前所在的位置:首页 > 产品中心 > 盾构技术服务 > 盾构技术服务

全断面砂卵石地层盾构施工难点分析及对策

摘要:以北京地铁 19 号线一期工程新发地站~草桥站区间盾构隧道为背景,对土压平衡盾构全断面穿越砂卵石地层面临的刀盘刀具磨损、开挖面稳定性、地表沉降及掘进参数控制等施工难点进行了分析,从盾构选型、关键施工参数设定和渣土改良等方面提出了相应的解决措施,并通过试验段掘进及地面沉降监测,验证了施工措施的有效性,可以为全断面砂卵石地层长距离盾构施工提供技术支撑和工程借鉴。
1 工程概况
1. 1 项目概况
  北京地铁 19 号线一期工程新发地站—草桥站盾构区间( 以下称“新—草”区间) 位于北京主城区西南,线路自新发地站起始,向北沿京开高速东侧绿地敷设,穿越南四环中路,最后到达草桥站接收。区间设风井1 座,独立联络通道 3 座,左右线采用 2 台中国铁建重工生产的开挖直径 6 640mm 加泥式土压平衡盾构机( DZ365,DZ366) 进行施工。
  盾构区间隧道左线总长度 2136 m,右线总长度2 133m,隧道结构底板绝对标高 14. 8 ~ 29m,顶板埋深7. 1~ 21. 3m,左右线间距 11. 5 ~ 19. 2m,线路平面最小曲线半为 R= 750m,设计最大坡度( 上坡) 29‰,隧道采用标准单圆盾构衬砌结构,衬砌管片外径 6 400mm,内径 5 800mm,宽度 1 200 mm,厚度 300mm,错缝拼装工艺。“新~草”区间平面位置如图 1 所示。
1. 2 工程地质及水文地质条件
  本区间土层主要为素填土①层、杂填土①1 层、砂质粉土黏质粉土②层、粉细砂②3 层、圆砾砾砂②5 层、砂质粉土黏质粉土④2 层、粉细砂④3 层、卵石圆砾⑤层、卵石圆砾⑦层、卵石圆砾⑨层、卵石圆砾⑩层。盾构隧道主要穿越卵石圆砾⑤,⑦,⑨层,杂色,密实,湿。地层中 卵 石 一 般 粒 径 20 ~ 80mm,揭 露 最 大 粒 径 ≥180mm,亚圆形,级配较好,粒径>20mm 颗粒的质量占总质量的 50% ~ 80%,中粗砂填充,夹粉质黏土、粉土、细砂薄层,局部含漂石,含砂率>30%。隧道主要穿越地层如图 2 所示。
  本盾构区间埋深 60m 范围内有一层地下水,类型为层 间 潜 水 ~ 承 压 水 ( 四) ,地下水位绝对标高15. 320~18. 400m,稳定埋深 24. 8~ 28. 5m,主要含水层为卵石圆砾⑦,⑨层,天然含水率 6% ~ 8%,渗透系数250~ 300m/d,属于强透水层。卵石圆砾⑨层中水具有承压性,承压水头最大 2. 50m,隧道底板最大入水深度约 4m。
2 盾构施工难点分析
2. 1 长距离掘进刀盘刀具磨损严重
  “新 ~ 草”区间盾构隧道长距离穿越卵石圆砾⑤,⑦,⑨层,地层中卵石、砂砾强度高,密实,颗粒间摩阻力大,会对刀盘刀具造成严重磨损,且呈从刀盘中心向外,刀具磨损程度逐渐加大的趋势。同时,砂卵石地层颗粒分布不均匀,大粒径卵石剥落会对刀具产生冲击碰撞,造成合金崩裂、断齿,大大降低盾构掘进效率。根据设计方案,盾构需长距离掘进约 1 100 m 至中间风井,才可进行刀具更换,对刀盘刀具的耐磨和抗冲击性能要求极高。
2. 2 开挖面易失稳
  盾构区间全断面穿越砂卵石地层,其基本特征是结构松散,胶结性差,开挖后土体易受扰动。刀盘旋转切削时,土体中起骨架作用的大块卵石被搅拌剥落,当开挖面支撑压力不足,或螺旋输送机的排土量大于刀盘切削土量时,隧道拱顶上方土体失去支撑,在自重及施工扰动下产生塌落,造成开挖面失稳。本盾构区间局部地下水位高出隧道底板,存在半仓水施工情况,地下水会对土体产生渗流作用,较无水地层需要更大的支护应力,不利于开挖面稳定。
2. 3 地表沉降难以控制
  盾构施工引起的地层损失往往是是产生地层移动的主要因素。盾构在推进过程中,由刀盘的开挖直径大于盾体直径而造成的开挖间隙和盾体外径与管片外径之差造成的盾尾间隙是地层损失的主要因素。砂卵石地层颗粒之间空隙大、黏聚力低,地层反应灵敏,隧道开挖卸荷后,打破了原先的平衡状态,若建筑间隙不及时填充或填充不密实,当地层损失过大时,影响范围传至地面,则会引起大面积的地面沉降或局部地面塌陷。本盾构区间下穿马家楼立交桥区、南四环主路,1 200 在建热力管沟等重大风险源,周边建筑物及地下管线众多,对地表沉降控制要求极高。
2. 4 掘进参数波动明显
  由于地层中砂与卵石无黏聚性,塑流性差,设定的土压无法顺利传递到开挖面,盾构推进过程中很难建立起连续、动态的土压平衡,推进速度也无法保证。当切削下来的土体充满土仓,排出困难时,盾构机推力及刀盘扭矩经常急剧增大,甚至超过脱困扭矩,造成盾构无法推进,若卵石粒径超过螺旋输送机最大排出粒径,还会造成螺旋输送机停转。同时,切削下来的卵砾石向盾体四周移动,也使得盾构姿态难以控制。砂卵石土性不良导致渣土无法达到理想的“塑流”化状态,使得掘进参数难以控制,直接影响到工程进度和施工成本。
3 盾构施工对策
3. 1 盾构选型
  从近年来北京地区砂卵石地层盾构法施工的情况来看,盾构选型是盾构施工的核心与关键。而刀盘结构型式、刀具配置、螺旋输送机型式等参数的选择是否与地层相适应,往往与盾构施工中存在的问题密切相关。
  为此,从以下几个方面进行了盾构机的选型和优化配置:
  1) 从地层适应性方面考虑,盾构机采用辐条式刀盘,开口率增大至 76%,中间支撑方式。刀盘整体结构由 Q345C 高强度钢板焊接而成,大圆环外周覆盖有复合耐磨材料,并在正面焊接耐磨网格,充分保证刀盘耐磨性能。刀盘上布置有 6 个渣土改良注入口,其中刀盘中心 1 个,刀梁上依次向外均匀布置 5 个。在中心隔板处设置有高压冲洗口,防止刀盘中心部位渣土黏附,结成泥饼。
  2) 刀具由 1 把鱼尾刀,64 把贝壳刀,102 把切刀,6把横向保径刀,2 把超挖刀组成。利用各类刀具高差先行 量,共分4层布置,其中第1层鱼尾刀高度450mm,超前其他刀具布置,保证最先切入土体; 第 2层正面贝壳刀间距 150mm,采用刀高 165mm/145mm主副刀高低搭配设计,延长刀具使用寿命,且在刀盘外周安装盘圈贝壳刀,有效保护刀盘外圈结构; 第 3 层切刀刀高 125mm,间距 150mm,每条轨迹配置 3 对切刀,有效提高切刀剥离渣土的能力; 第 4 层刀梁端部安装横向保径刀,刀高 130mm,确保刀盘开挖直径,并设置有超挖刀,超挖量 50mm。所有刀刃均采用大尺寸硬质耐磨合金设计,并在刀体四周堆焊耐磨层,加强刀具的耐磨和抗冲击性能。在靠近刀盘边缘区域,增加了刀具布置的数量,提高了周边刀具的使用寿命。刀盘结构如图 3 所示。

  3) 采用有轴式螺旋叶片输送机,中心驱动方式,内径 920mm,最大扭矩 180kN·m,最大转速 20r/min,节距 630mm,可允许最大粒径 350mm×600mm 的卵石直接通过。在螺旋输送机前三节叶片、筒体前端、螺旋轴和斜套筒等易损部位焊接合金耐磨块并堆焊耐磨层,减小渣土冲刷磨损。
3. 2 掘进技术措施
  1) 保持土压力平稳。正常情况下,上土压力控制在 0. 04~ 0. 08MPa,通过使盾构推进速度与螺旋输送机转速相匹配、刀盘切削土量与螺旋输送机排土量相一致,调节土压力稳定,并根据地质纵断面埋深变化和地面监测值及时作出调整。当地质状况良好、地表无重要建筑物时,可利用地层自稳特性,采用欠压推进模式,减轻刀盘、刀具的磨损。
  2) 严 格 控 制 出 土 量。本盾构隧道开挖直径6 640mm,每环理论出土量 41. 5m3,考虑岩土的松散系数、盾构姿态变化或其他原因引起的岩土损失,在运输组织中,出土量控制在 46~ 48m3,确保出土不超量。
  3) 渣土改良措施。施工中使用纳基膨润土泥浆和泡沫相结合的土体改良技术,提高渣土的流动性和止水性。膨润土泥浆浓度为 17% ~ 20%,即 膨 润 土: 水( 重量比) = 1:4~ 1 :5,体积添加比 7%~12%( 即 3 ~ 5m3/环) ,注入流量 100 ~ 120L /min,膨润土泥浆需膨化12h,漏斗黏度达到 28s,方可泵送到盾构机的膨润土罐内使用; 添加泡沫的原液混合比为 3% ~ 5%,发泡倍率10~ 12,泡沫添加率 45%( 即切削 1m3渣土需注入泡沫450 L) ,泡沫原液用量为 40~ 60L /环,泡沫液体和空气混合后,气液流量比 15 ∶ 1~ 18 ∶ 1,总流量控制在 300 ~350 L /min,并根据实际出土效果,动态调整膨润土泥浆及泡沫的注入参数。
  4) 同步注浆与二次注浆控制。施工中使用成品预拌砂浆,配 比 为 水 泥:砂 ∶ 粉 煤 灰 ∶ 膨 润 土 ∶ 外 加剂 ∶ 水= 200kg ∶ 562kg ∶ 200kg ∶ 35kg ∶ 3kg ∶ 400kg。注浆压力应略大于地层水土压力,但不能超过盾尾刷的最大承载压力,注浆压力一般取 0. 10 ~ 0. 20MPa。考虑地层失水固结、部分浆液扩散到周围地层等情况,注浆量采用理论值的 150% ~ 200%,即 4. 4 ~ 5. 9m3/环。
  还应根据地表沉降监测及同步注浆效果,及时二次注浆,保证管片与围岩之间填充密实。二次注浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力 0. 35~ 0. 45MPa,注浆量以压力控制为准。二次注浆频率为管片脱出盾尾 3 ~ 5环后,3~ 5 环一组。
  5) 保持盾构姿态平稳。盾构机轴线与隧道设计轴线偏差严格控制在±50 mm 以内,并每环测量管片和盾壳的间隙,使各位置的间隙相等。盾构机姿态宜控制在隧道设计轴线靠下位置,以抵消管片上浮的影响。盾构姿态纠偏时,应按照“勤纠偏,小纠偏”的原则,每环姿态变化控制在±5mm 内,保证盾构机平稳推进。
4 试验段掘进验证
  为熟悉盾构机械性能,验证以上施工措施是否合理,同时也为砂卵石地层长距离掘进积累经验,进行了试验段工程研究。本次试验段选在区间隧道左线 0 ~84m( 70 环) ,该区段地表为废旧地,无地下管线,地质条件良好,适合试验段掘进。
4. 1 试验段掘进参数控制
  试验段开始前,结合本次施工难点并根据以往砂卵石地层掘进经验,拟定了理论掘进参数值,并在试掘进结束后,通过盾构机数据采集系统,对试验段内的盾构机推力、刀盘扭矩、土仓压力、推进速度、出土量、注浆压力和注浆量等主要掘进参数进行了整理。试验段理论掘进参数及实际掘进参数如表 1 所示。
4. 2 地表沉降监测
  为掌握试验段隧道沿线两侧的周边环境动态,验证盾构掘进参数合理性,保障盾构施工顺利进行,在试验段影响范围内的地表布置了一系列沉降监测点和监测断面,监测地表沉降情况。
1) 横向地表沉降监测
  选取试验段左线具有代表性的 DB-18 和 DB-23 监测断面,对横向地表沉降情况进行了监测,分析结果如图 4 所示。
  由图 3 可以看出,DB-18 和 DB-23 监测断面的横向地表沉降曲线基本符合 Peck 地表沉降槽趋势,各测点累计沉降值控制在-7~-0. 2mm,平均沉降量-3. 4mm,最大值出现在隧道轴线正上方,并向两侧方向沉降逐渐减小,低于盾构施工地表变形控制标准。
2) 纵向地表沉降监测
选取试验段左线隧道轴线上方 12 个地表监测点,对纵向地表沉降情况进行了监测。纵向地表累计沉降
由图 5 可以看出,纵向地表沉降曲线略有波动,最小累计沉降量-1. 1mm,最大累计沉降量-7. 5mm,平均沉降量-6mm; 最大沉降速率-2. 5mm/d,均处于地表沉降量控制值( -30~ 10mm) 和沉降速率控制值( 3mm/d)的合理范围内。
4. 3 试掘进效果及评价
  本次试验段掘进 84 m( 70 环) ,共掘进 12 天,平均日掘进 6 环,最高日掘进 10 环。试验段采用欠压掘进模式,盾构机总推力保持在设计最大推力( 46 500kN)的 40%以下,刀盘扭矩在额定扭矩( 7 600kN·m) 的45% ~ 65%,盾构机总推力与刀盘扭矩参数变化趋势总体一致; 土压力波动幅度较小,推进速度平稳; 注浆压力和注浆量处于理论值合理范围内,出土量可控。试验段结束后,隧道内测量结果显示: 成型隧道轴线高程偏差最大 36mm,平面偏差最大 28mm,符合规范要求; 横、纵向地表沉降量和沉降速率均未超过监测控制值,试验段掘进总体比较成功。
5 结语
  本文结合工程实际,着重分析北京地区全断面砂卵石地层盾构施工中面临的主要难点,并通过试验段验证,提出了一系列有效的施工措施,得出以下结论。
  1) 盾构机在全断面砂卵石地层中掘进,刀盘刀具磨损十分严重,应选用开口率较大的辐条式刀盘,采用鱼尾刀+正面贝壳刀+切刀+盘圈贝壳刀的组合方式,分层布置刀具; 适当增加刀盘边缘区域的刀具数量,并对刀盘、刀具进行耐磨和抗冲击保护; 螺旋输送机选型要尽可能增加盾构机最大排出卵石的能力,并对前端易损部位加焊耐磨层。
  2) 砂卵石地层结构松散、胶结性差,受扰动后开挖面易失稳,施工造成地层损失后,地表沉降难以控制。为保证盾构顺利推进,应重点控制土仓压力、出土量、同步注浆与二次补浆参数、盾构姿态等主要掘进参数,并根据地层变化、埋深大小和地表沉降监测数据及时调整,保证盾构安全、快速推进。
  3) 砂卵石地层颗粒间无黏聚性,透水性高,塑流性差,单独使用膨润土泥浆无法达到理想的出土效果,应使用膨润土泥浆和泡沫相结合的渣土改良技术,并根据出土效果,动态调整其注入参数,满足施工要求。

售前咨询
技术支持
售后服务